Il elettrolisi dell'acqua È la decomposizione dell'acqua nei suoi componenti elementari attraverso l'applicazione di una corrente elettrica. Nel procedere, idrogeno e ossigeno molecolare, H.Due meDue. Queste due superfici sono meglio conosciute con il nome di elettrodi..
Teoricamente, il volume di H.Due formato deve essere il doppio del volume di ODue. Perché? Perché la molecola d'acqua ha un rapporto H / O pari a 2, cioè due H per ogni ossigeno. Questa relazione è verificata direttamente con la sua formula chimica, H.DueO. Tuttavia, molti fattori sperimentali influenzano i volumi ottenuti.
Se l'elettrolisi viene eseguita all'interno di tubi immersi nell'acqua (immagine in alto), la colonna d'acqua inferiore corrisponde all'idrogeno, poiché c'è una maggiore quantità di gas che esercita una pressione sulla superficie del liquido. Le bolle circondano gli elettrodi e finiscono per salire dopo aver superato la pressione di vapore dell'acqua.
Si noti che i tubi sono separati l'uno dall'altro in modo tale che vi sia una bassa migrazione di gas da un elettrodo all'altro. A scale basse, questo non rappresenta un rischio imminente; ma su scala industriale, la miscela gassosa di HDue meDue è altamente pericoloso ed esplosivo.
Per questo motivo le celle elettrochimiche dove si effettua l'elettrolisi dell'acqua sono molto costose; Hanno bisogno di un design ed elementi che garantiscano che i gas non si mescolino mai, un alimentatore economico, alte concentrazioni di elettroliti, elettrodi speciali (elettrocatalizzatori) e meccanismi per immagazzinare HDue prodotto.
Gli elettrocatalizzatori rappresentano l'attrito e nello stesso momento le ali per redditività di elettrolisi d'acqua. Alcuni sono costituiti da ossidi di metalli nobili, come il platino e l'iridio, i cui prezzi sono molto alti. È soprattutto a questo punto che i ricercatori uniscono le forze per progettare elettrodi efficienti, stabili ed economici..
La ragione di questi sforzi è accelerare la formazione di ODue, che si verifica a velocità inferiori rispetto a HDue. Questo rallenta dall'elettrodo dove si forma l'ODue porta come conseguenza generale l'applicazione di un potenziale molto maggiore del necessario (sovratensione); ciò che è lo stesso, a prestazioni inferiori e spese più elevate.
Indice articolo
L'elettrolisi dell'acqua coinvolge molti aspetti complessi. Tuttavia, in termini generali, la sua base si basa su una semplice reazione globale:
2HDueO (l) => 2HDue(g) + ODue(g)
Come si può vedere dall'equazione, sono coinvolte due molecole d'acqua: una ordinariamente deve essere ridotta, o acquisire elettroni, mentre l'altra deve ossidarsi o perdere elettroni..
La HDue È un prodotto della riduzione dell'acqua, poiché il guadagno di elettroni promuove i protoni H.+ può legarsi in modo covalente e l'ossigeno si trasforma in OH-. Pertanto, l'HDue si verifica al catodo, che è l'elettrodo in cui si verifica la riduzione.
Mentre l'ODue proviene dall'ossidazione dell'acqua, a causa della quale perde gli elettroni che le consentono di legarsi all'idrogeno, e di conseguenza rilascia protoni H+. L'ODue viene prodotto all'anodo, l'elettrodo in cui avviene l'ossidazione; ea differenza dell'altro elettrodo, il pH intorno all'anodo è acido e non basico.
Questo può essere riassunto con le seguenti equazioni chimiche per le reazioni semicellulari:
2HDueO + 2e- => HDue + 2OH- (Cathode, basic)
2HDueO => ODue + 4H+ + 4e- (Anodo, acido)
Tuttavia, l'acqua non può perdere altri elettroni (4e-) di cui vince l'altra molecola d'acqua al catodo (2e-); pertanto, la prima equazione deve essere moltiplicata per 2 e quindi sottratta con la seconda equazione per ottenere l'equazione netta:
2 (2HDueO + 2e- => HDue + 2OH-)
2HDueO => ODue + 4H+ + 4e-
6HDueO => 2HDue + ODue + 4H+ + 4OH-
Ma 4H+ e 4OH- forma 4HDueO così questi rimuovono quattro delle sei molecole di H.DueO lasciandone due; e il risultato è la reazione globale appena sollevata.
Le reazioni semicellulari cambiano con i valori di pH, le tecniche e hanno anche potenziali di riduzione o ossidazione associati, che determinano la quantità di corrente necessaria affinché l'elettrolisi dell'acqua proceda spontaneamente..
Un voltametro Hoffman è mostrato nell'immagine sopra. Le bombole vengono riempite con acqua e gli elettroliti selezionati attraverso l'ugello centrale. Il ruolo di questi elettroliti è quello di aumentare la conducibilità dell'acqua, perché in condizioni normali ci sono pochissimi ioni H3O+ e OH- prodotti della sua autoionizzazione.
I due elettrodi sono solitamente di platino, sebbene nell'immagine siano stati sostituiti da elettrodi di carbonio. Entrambi sono collegati ad una batteria, con la quale viene applicata una differenza di potenziale (ΔV) che favorisce l'ossidazione dell'acqua (formazione di ODue).
Gli elettroni percorrono l'intero circuito fino a raggiungere l'altro elettrodo, dove l'acqua li conquista e diventa H.Due e OH-. A questo punto sono già definiti anodo e catodo, differenziabili dall'altezza delle colonne d'acqua; quello con l'altezza più bassa, corrisponde al catodo, dove si forma la H.Due.
Nella parte superiore delle bombole sono presenti le chiavi che consentono il rilascio dei gas generati. La presenza di H può essere attentamente controllataDue facendolo reagire con una fiamma la cui combustione produce acqua gassosa.
Le tecniche di elettrolisi dell'acqua variano a seconda della quantità di H.Due meDue che si propone di generare. Entrambi i gas sono molto pericolosi se miscelati insieme, motivo per cui le celle elettrolitiche comportano progetti complessi per ridurre al minimo l'aumento delle pressioni gassose e la loro diffusione attraverso il mezzo acquoso..
Allo stesso modo, le tecniche variano a seconda della cella, dell'elettrolita aggiunto all'acqua e degli elettrodi stessi. D'altra parte, alcuni implicano che la reazione venga eseguita a temperature più elevate, riducendo il consumo di elettricità, e altri usano enormi pressioni per mantenere l'HDue immagazzinato.
Tra tutte le tecniche, si possono menzionare le seguenti tre:
L'elettrolisi viene eseguita con soluzioni basiche dei metalli alcalini (KOH o NaOH). Con questa tecnica si verificano le reazioni:
4HDueO (l) + 4e- => 2HDue(g) + 4OH-(AC)
4OH-(ac) => ODue(g) + 2HDueO (l) + 4e-
Come si può vedere, sia al catodo che all'anodo, l'acqua ha un pH basico; e inoltre, l'OH- migrano all'anodo dove si ossidano a ODue.
Questa tecnica utilizza un polimero solido che funge da membrana permeabile per H.+, ma impermeabile ai gas. Ciò garantisce una maggiore sicurezza durante l'elettrolisi..
Le reazioni semicellulari per questo caso sono:
4H+(ac) + 4e- => 2HDue(g)
2HDueO (l) => ODue(g) + 4H+(ac) + 4e-
H ioni+ migrano dall'anodo al catodo, dove vengono ridotti per diventare H.Due.
Molto diversa dalle altre tecniche, questa utilizza ossidi come elettroliti, che ad alte temperature (600-900 ° C) funzionano come mezzi di trasporto dell'anione ODue-.
Le reazioni sono:
2HDueO (g) + 4e- => 2HDue(g) + 2ODue-
2ODue- => ODue(g) + 4e-
Nota che questa volta sono gli anioni di ossido, ODue-, quelli che viaggiano all'anodo.
L'elettrolisi dell'acqua produce H.Due (g) e ODue (g). Circa il 5% dell'idrogeno gassoso prodotto nel mondo è prodotto dall'elettrolisi dell'acqua.
La HDue è un sottoprodotto dell'elettrolisi di soluzioni acquose di NaCl. La presenza di sale facilita l'elettrolisi aumentando la conducibilità elettrica dell'acqua.
La reazione complessiva che si verifica è:
2NaCl + 2HDueO => ClDue + HDue + 2NaOH
Per comprendere l'enorme importanza di questa reazione, verranno menzionati alcuni degli usi dei prodotti gassosi; Perché in fin dei conti sono questi che guidano lo sviluppo di nuovi metodi per ottenere l'elettrolisi dell'acqua in modo più efficiente ed ecologico.
Di tutti loro, il più desiderato è quello di funzionare come cellule che sostituiscono energeticamente l'uso di combustibili fossili bruciati..
-L'idrogeno prodotto nell'elettrolisi può essere utilizzato nell'industria chimica agendo nelle reazioni di dipendenza, nei processi di idrogenazione o come agente riducente nei processi di riduzione.
-Allo stesso modo, è essenziale in alcune azioni di importanza commerciale, come: la produzione di acido cloridrico, perossido di idrogeno, idrossilammine, ecc. È coinvolto nella sintesi dell'ammoniaca attraverso una reazione catalitica con l'azoto.
-In combinazione con l'ossigeno, produce fiamme ad alto contenuto calorico, con temperature comprese tra 3.000 e 3.500 K. Queste temperature possono essere utilizzate per il taglio e la saldatura nell'industria metallurgica, per la crescita di cristalli sintetici, la produzione di quarzo, ecc..
-Trattamento dell'acqua: un contenuto eccessivamente elevato di nitrati nell'acqua può essere ridotto dalla sua eliminazione nei bioreattori, in cui i batteri utilizzano l'idrogeno come fonte di energia
-L'idrogeno è coinvolto nella sintesi di plastica, poliestere e nylon. Inoltre, fa parte della produzione del vetro, aumentando la combustione durante la cottura..
-Reagisce con gli ossidi e il cloruro di molti metalli, tra cui: argento, rame, piombo, bismuto e mercurio per produrre metalli puri.
-Inoltre, viene utilizzato come combustibile nell'analisi cromatografica con un rilevatore di fiamma..
L'elettrolisi delle soluzioni di cloruro di sodio viene utilizzata per purificare l'acqua della piscina. Durante l'elettrolisi, l'idrogeno viene prodotto al catodo e il cloro (ClDue) all'anodo. L'elettrolisi è indicata in questo caso come un cloratore di sale.
Il cloro si dissolve in acqua per formare acido ipocloroso e ipoclorito di sodio. L'acido ipocloroso e l'ipoclorito di sodio sterilizzano l'acqua.
L'elettrolisi dell'acqua viene anche utilizzata per generare ossigeno sulla Stazione Spaziale Internazionale, che serve a mantenere un'atmosfera di ossigeno nella stazione..
L'idrogeno può essere utilizzato in una cella a combustibile, un metodo per immagazzinare energia e utilizzare l'acqua generata nella cella per il consumo da parte degli astronauti.
Esperimenti di elettrolisi dell'acqua sono stati condotti su scala di laboratorio con voltmetri Hoffman, o altro assieme che permette di contenere tutti gli elementi necessari di una cella elettrochimica..
Di tutti i possibili assemblaggi e attrezzature, il più semplice potrebbe essere un grande contenitore per l'acqua trasparente, che fungerà da cella. Inoltre, qualsiasi superficie metallica o elettricamente conduttiva deve essere a portata di mano per funzionare come elettrodi; uno per il catodo e l'altro per l'anodo.
A tale scopo possono essere utili anche le matite con punte affilate di grafite su entrambe le estremità. E infine, una piccola batteria e alcuni cavi che la collegano agli elettrodi improvvisati..
Se non viene effettuato in un contenitore trasparente, la formazione di bolle gassose non sarebbe apprezzata..
Sebbene l'elettrolisi dell'acqua sia un argomento che contiene molti aspetti intriganti e pieni di speranza per chi cerca fonti di energia alternative, l'esperimento domestico può essere noioso per i bambini e gli altri spettatori..
Pertanto, è possibile applicare una tensione sufficiente per generare la formazione di H.Due meDue alternando determinate variabili e annotando le modifiche.
Il primo di questi è la variazione del pH dell'acqua, utilizzando l'aceto per acidificare l'acqua o il NaDueCO3 per fonderlo leggermente. Deve verificarsi un cambiamento nel numero di bolle osservate.
Inoltre, lo stesso esperimento potrebbe essere ripetuto con acqua calda e fredda. In questo modo, verrebbe quindi considerato l'effetto della temperatura sulla reazione..
Infine, per rendere la raccolta dei dati un po 'meno incolore, si può utilizzare una soluzione molto diluita di succo di cavolo viola. Questo succo è un indicatore acido-base di origine naturale.
Aggiungendolo al contenitore con gli elettrodi inseriti, si noterà che all'anodo l'acqua diventerà rosa (acida), mentre al catodo il colore sarà giallo (basico).
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